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技術文摘

石膏生產線對主要設備和工藝技術的選擇

2019-11-01 來源:外部媒體

石膏是一種重要的非金屬礦產資源,用途十分廣泛;隨著近年來經濟的快速發展,石膏產業得到了快速的發展和提升,生產原料由以前單一的天然石膏發展為天然石膏、各類副產石膏等共同應用并存,甚至在部分地區副產石膏替代天然石膏成為主導原料,同時以前無天然石膏資源的地區因副產石膏的應用而成為石膏的富資源區域;石膏產品由傳統的建筑石膏及普通的模具石膏發展為以紙面石膏板、石膏墻體材料為主體的制品體系、以建筑石膏粉、石膏砂漿等為主體的建筑用粉體系、以高性能β粉及α粉組成的陶瓷模具粉體系、以α石膏粉及超硬石膏粉為主體的特種石膏粉體系;傳統的間歇式小規模石膏煅燒設備及技術發展為以規模化連續式煅燒設備為主體的各類不同特性的煅燒設備和技術、以規模化間接換熱設備為模式的高性能石膏產品煅燒設備、以直接換熱為模式的快燒類煅燒設備、各類副產石膏煅燒技術及工藝、各類不同性能和用途的α石膏生產技術及工藝、以常規燃煤為主體的煅燒設備發展為新型燃煤煅燒設備、燃氣煅燒設備及以蒸汽為熱源的環保型煅燒設備;利用各類不同特性和成分的原料,如何生產出最具有原料價值的石膏產品,或如何將各類原料采用最小或最合適的投入,實現其最大效益、最有效的提取其價值;就需要對各類原料的特性,產品的要求、用途、特點,技術及設備的適應性、特點、要求等有一個全面而詳細的了解,才能在項目中選取最合適的設備、工藝、技術、做最合適的投入,得到最有利的回報;在項目的選擇上,肯定不是項目規模越大、技術越高精尖越好,在投資上,肯定也不是越大越好、也不是越少越好;適合原料及產品特點的投入才是最好的。

 

  2  各類石膏生產原料的特點

目前石膏原料種類較多,從其產生的原因來分,主要分為天然石膏及工業副產石膏;從其相組成類別來分,主要分為二水石膏和硬石膏;

  2.1天然石膏

天然石膏是自然界中蘊藏的石膏石,主要為二水石膏和硬石膏,在自然界中,儲藏量較多。我國石膏礦產資源儲量豐富,已探明的各類石膏總儲量約為600億噸,具世界首位,分布于全國的23個主要的省、市、自治區,其中儲量超過10億噸的有10個省、市、自治區,依次是:山東、內蒙古、青海、湖南、湖北、寧夏、西藏、安徽、江蘇和四川,石膏資源比較貧乏的是東北和華東地區。

我國石膏資源雖然儲量較大,但優質石膏資源的量極少,大多是普通石膏和硬石膏,硬石膏占石膏總量的60%以上。因此,我國同時又是優質石膏資源的窮國,優質石膏資源僅占資源總量的8%(主要指特級及一級石膏)。纖維石膏儲量僅占總儲量的1.8%,主要分布于湖北應城和荊門、湖南衡山、廣東三水、山東棗莊、山西平陸等地區,部分礦點已過度開采而接近枯竭,部分礦點則由于大量的與低品位石膏礦石混雜而難以分離造成資源浪費。因此,在實際生產中,能夠開采并有效利用的優質石膏資源更少。

 

天然石膏資源應用范圍較寬,根據其質量等級及地域差別,礦石的價格差異較大,用途也完全不同;目前主要用途及要求如下:

水泥中石膏的加入量一般在3-5%,其主要是利用其中SO3,一般要求礦石的SO3在25.56%以上,即CaSO4·2 H2O含量約55%以上就可基本滿足要求;但考慮到加入量、成本等原因,部分地區會要求SO3在36%以上;

用于建筑用的石膏粉一般要求礦石中CaSO4·2 H2O含量在85%以上;

用于生產高強石膏的石膏礦石要求其中CaSO4·2 H2O含量在90%以上;

紙面石膏板用石膏原料除了要求礦石中CaSO4·2 H2O含量在85%以上以保證石膏粉質量外,還對礦石中的鉀、鈉、氯等離子有一定的限制;

作陶模用石膏原料除了要求礦石中CaSO4·2 H2O含量外(一般在90%以上,部分高檔的要求達到95%以上),還對其中的鐵、二氧化硅等成分含量作了嚴格限制;

造紙填料則要求其中CaSO4·2 H2O含量在96%以上;

  2.2副產石膏

是指工業生產中由化學反應生成的以硫酸鈣(主要為無水和二水硫酸鈣)為主要成分的副產品或廢渣。例如:在磷素化學肥料和復合肥料、各類添加劑的生產過程中會產生磷石膏、大型燃煤設施采用石灰濕法脫硫產生的脫硫石膏、發酵法制檸檬酸的過程中產生檸檬酸石膏、用硫酸分解螢石制氟化氫的過程中產生的氟石膏、還有其它各化工生產中產生的鹽石膏等均為副產石膏的主要品種。距統計,其產生量如下:

磷石膏,7000萬噸(2013年);脫硫石膏,7550萬噸(2013年);鈦石膏,每年1800萬噸以上;氟石膏,每年269萬噸以上(2011年);鹽石膏258萬噸(2011年);廢模具石膏495萬噸(2011年);檸檬酸石膏,每年100萬噸以上(2011年);副產石膏由于各自產生的過程不同,其原料特性、成分、顏色、應用性能等均具有很大差異;這里對兩種應用量及產生量最大的副產石膏進行分析說明:

  2.2.1磷石膏

二水石膏含量一般均在85---90%;

雜質:可溶磷、共晶磷、可溶氟、有機物、氟化鈣、磷酸鈣、有機酸等;

物態:濕態粉體,含水率10—20%,顆粒形貌以板狀為主,比表面積在2000-3000cm2/g左右; 

酸性:PH值2—5,對堆放、輸送、炒制設施有腐蝕作用

可溶磷、氟、共晶磷和有機物是磷石膏中的主要有害雜質。

可溶磷、氟、有機物主要分布在二水石膏晶體表面,其含量隨磷石膏粒度增加而增加。共晶磷含量則隨磷石膏粒度增加而減少;

磷石膏目前的利用方式:

堆放;制作建筑用石膏粉和石膏制品;水泥緩凝劑;制作水泥和硫酸;制作硫酸銨;精制成紙張填料;農業用作土壤改良劑

磷石膏利用率不到25%,主要用作水泥緩凝劑,利用水平和利用率都較低;磷石膏因其中含有多種雜質,其中部分磷化合物對其水化硬化性能有較大影響,其中部分磷成分對其可以性影響較大,因此,對磷石膏的應用首先要分析其可用性:不同廠家和生產方式產生的磷石膏,其成分差異很大,不是所有的都可以作為煅燒石膏粉的優質原料;目前易于從原料進行檢測控制的主要是測定其可溶性磷的含量及共晶磷的含量;其它成分對產品性能也有一定影響,如泛霜、凝結時間、強度等;

  2.2.2脫硫石膏

脫硫石膏是在燃煤過程中,利用磨細的CaCO3漿液吸收煙氣中的二氧化硫后逐步反應得到的工業副產物;其產生過程具有如下特點:

原料的可控性;生產過程的可控性、產品的可控性;

因此,脫硫石膏一般具有如下特性:

1)脫硫石膏具有高純度;按照標準規定,我國脫硫石膏的二水硫酸鈣含量為90%以上,與天然石膏相比,該純度的石膏原料已經屬于一級石膏,儲量相對較少;

2)脫硫石膏具有高細度;為保證脫硫反應的快速充分,脫硫劑一般粉磨至300目以上,得到的脫硫石膏產品顆粒大小集中在30-80微米;

3)脫硫石膏具有較高的含水率;一般保持在8---15%;

4)脫硫石膏成分穩定性較差;受原料波動、生產控制、設備等因素影響,脫硫石膏質量具有一定的波動性;

5)脫硫石膏雜質中以礦物成分為主,對后續應用的影響相對較小;

6)脫硫石膏由于脫硫劑等原因,顏色較差;

因此,嚴格遵循脫硫石膏的標準進行生產而得到的,就是一種能夠與天然石膏等效的建材資源;甚至是一種優于天然石膏的資源;

脫硫石膏應用中需要注意的問題及影響因素:

日本、歐洲,其脫硫石膏的純度按照標準,達到95%以上;白度達到80%以上,可溶性鎂鹽含量小于0.1%;

我國目前產生的脫硫石膏:純度60—94%;大部分規范運行的裝置在80-94%;白度較差,為褐色、土黃色、灰白色較多,可溶性MgO含量可達到0.5%以上;

1)利用脫硫石膏煅燒后的熟石膏粉的晶體形態和脫硫石膏的原形貌較為相似,只是顆粒尺寸變小,顆粒分布特征沒有改變,級配依然很差,顆粒比表面積較天然熟石膏粉要小的多,因此導致脫硫熟石膏粉加水后流動性能不好,顆粒離析、分層現象嚴重,制品容重偏大。

2)用脫硫石膏粉做紙面石膏板存在兩方面的問題:一是難以控制其干粉的流動、運輸、喂料性能,另一方面由于離析和分層現象,會導致強度和容重不勻,板芯和護面紙粘接出現問題。

3)用于粉刷石膏時會導致和易性和保水性差,難以操作,需進行調整。

4)當K2O<0.02%且Na2O<0.02%且MgO<0.02%時,制品不出現泛霜的可能性最大;

5)鉀、鈉和鎂三種離子中,易導致泛霜的順序為Mg2+>Na+>K+;

6)易泛霜順序為脫硫石膏>磷石膏>天然石膏,因此石膏的泛霜除與水溶性鹽的含量有關外,與鉀、鈉和鎂離子在石膏硬化體中存在的形式有重要關系;

  3 目前市場上的石膏產品類別及特點

隨著近年來市場、技術、設備等的發展及原料的擴充,石膏產業得到了高速的發展,形成了以建筑石膏粉為基料的一系列建筑石膏產制品;以β石膏及α石膏為基礎的模具石膏產品系列;以α石膏及超硬石膏為基礎的特種石膏系列產品;各類產品又因為其后續具體用途的差異或應用方法的差異,分為不同的產品系列或不同的產品要求,而不同的產品的生產和配置,同樣對生產原料、生產工藝、生產設備等產生了相應的要求,尤其是模具石膏及特種石膏,隨著產品要求的提高,生產逐步向精細化過度;而建筑石膏粉則主要向規模化、低成本化(節能、低投資等)過度;

建筑石膏粉:石膏礦石或副產石膏經煅燒磨細后的到以半水石膏為主要成分的,具備一定凝結時間,具有一定水化硬化強度的石膏粉;是石膏產制品生產的基礎材料,但因后續用途的差異,在生產中對其性能和要求有較大差異;一般對原料要求不高,對原料顏色、性能波動、強度等要求均相對較低;但建筑石膏后續配置的系列產品中,但凡與外加劑配置形成的產品,均對建筑石膏粉有較高要求,須從原料進行控制,才能得到較高質量的產品;如煅燒系統不合適,產品達不到配置要求時,必須采用大量的外加劑量進行調整,必然對成本形成較大影響并影響其性能;

抹灰石膏;自流平石膏砂漿;石膏刮墻膩子;石膏嵌縫膩子等石膏砂漿產品的配置對其原料石膏粉的要求就較高,甚至達到了模具石膏粉產品的要求;在如上產品的配置中,外加劑是必不可少的,但外加劑的功能絕不是無限的,只有得到物相成分較好(煅燒合適)的石膏粉,外加劑的作用才能最明顯,否則,即使加大外加劑用量,效果也未必是最好的;尤其緩凝劑,同一種緩凝劑并不是對所有的石膏粉都敏感,不同的煅燒制度、煅燒工藝或生產原料得到的半水石膏粉對緩凝劑都是有選擇的;其它配套的外加劑在應用時,也基本遵循以上的原則;因此,在以上產品的生產中,生產出合適的石膏粉的重要性并不比采用的配方低,尤其,沒有任何一個配方會對所有的原料和產品通用;

紙面石膏板;纖維石膏板;石膏空心條板石膏砌塊;裝飾石膏板;石膏速成墻板;石膏線條;石膏浮雕石膏制品在近幾年隨墻體材料要求的提高得到了快速發展,尤其是紙面石膏板及石膏砌塊,在近10年產能接近翻了10倍,市場需求量翻了近8倍;而且隨著經濟的進一步發展及應用技術和使用工序的成熟,制約該類產品應用的因素已逐步被解決,市場的發展速度將進一步增加;如上制品類產品對原料的顏色、純度要求較低,對基料石膏粉的產品質量允許一定的波動,對強度、凝結時間的接受幅度范圍寬,因此,一般會采用副產石膏作為生產原料,但必須滿足必要的強度和凝結時間,尤其注意原料中的泛霜因素,不粉磨的副產石膏需要適度加快凝結時間,保證制品容重及強度的均勻性;

原料的直接應用。石膏原料直接作為水泥緩凝劑應用一直是石膏最主要的用途,其消耗量占總量的75%;由于天然石膏資源分布的不均勻性及資源的逐步緊缺,作為水泥緩凝劑的天然石膏也逐步緊缺,成本穩步升高;副產石膏應用于水泥緩凝劑是近年來解決副產石膏用途和水泥緩凝劑需求的主要途徑;水泥緩凝劑對石膏要求較低,一般,二水硫酸鈣含量達到65%以上的均可作為緩凝劑使用,副產石膏只要其他成分含量不足以影響水泥性能,就可作為水泥緩凝劑使用;在今后較長的時期內,水泥仍然是石膏應用最主要、量最大的途徑。2013年水泥行業的石膏利用量約為9000萬噸以上;

陶瓷行業是石膏應用的傳統行業,我國是一個陶瓷生產大國,多年來陶瓷產量一直距世界第一;據統計,2010年我國衛生瓷和日用瓷消耗石膏粉總量約為400萬噸以上,主要集中在廣東、河南、河北、福建、江西、山東等地,其中廣東、福建約占總量的40%;由于陶瓷行業發展及產品的要求,形成了種類繁多的模具石膏產品類別,根據使用要求和產品重量,主要對其強度、韌性、吸水率、光潔度、流動性、使用次數等指標有較高的要求,用于復雜的部件的成型,尤其是部分高檔次陶瓷產品的生產中,對模具石膏粉的要求更高,根據不同的應用方式形成了機壓模、注漿模、塑壓模及常壓注漿、低壓注漿、低壓快排水注漿、高壓注漿等各類陶瓷石膏工作模具等;對模具石膏粉的性能提出了更高的要求,除了基本的細度、用水量、凝結時間、強度、吸水率要求外,還對結晶水、氧化鈣含量、三氧化硫含量、酸不溶物、氧化鐵化學成分含量等有一定的限制;

由于產品要求的提高(尤其是衛生瓷),對模具及模具石膏粉提出了更高的要求,單獨的α、β石膏粉均不能同時滿足各種模具的性能要求,β石膏因其低膨脹率、高吸水率及吸水速度等優良性能較易適應于模具要求,但其強度較低,影響模具的使用次數;α具有較高的強度,可以大幅度提高使用次數,但其密度大、氣孔率小、吸水率低、膨脹率高,獨立使用無法達到模具的要求;因此,在具體應用中需要根據不同的應用要求,將二者以一定的比例進行配置,達到不同模具的應用要求;

模具石膏對原料有較高的要求,因此,生產中一般需對礦石進行選礦處理,控制礦石中二水硫酸鈣的含量,一般需要達到90%以上,對部分高檔次模具粉,需達到95%以上,對礦石顏色也有一定要求,可以根據白度,將產品分級,也可以根據產品性能將產品分級;凝結時間是模具石膏粉煅燒或生產中控制的一個關鍵指標,因此要求對煅燒工藝、設備進行較好的控制,保證石膏粉中的半水相的比例達到95%以上;對如此嚴格的要求,不是所有的煅燒設備或煅燒工藝都可以達到的;因此,目前市場上要么就是利用高純度礦石彌補設備及技術的不足,來勉強達到生產要求,要么是節省了設備投資來降低產品等級,最終降低了生產效益而不知道,糊涂生產的;

目前,市場上用于陶瓷模具或其他模具的石膏粉產品主要有:β普通模具石膏粉、β高強模具石膏粉、混合模具石膏粉、α高強石膏粉等;

特種石膏粉是根據其應用領域和要求,采用特殊工藝方法或者采用特殊原料(外加劑)配置的、具有特殊的性能指標和特殊用途的功能性石膏產品。特種石膏粉的生產或配置一般都是采用高檔次的石膏粉產品(α高強石膏粉或超硬石膏)為基料或者摻加少量的高性能β石膏粉,一種或多種微量特殊的外加劑共同混合均勻后得到。目前較為常見的特種石膏產品主要有以下幾類:高檔次陶瓷模具石膏粉(塑壓模具石膏、陶瓷母模石膏、高強模具石膏)、工藝美術石膏粉、精密鑄造石膏粉、高強低膨脹石膏、齒科石膏粉、原模石膏粉、超硬石膏粉、食用石膏粉等;

  4  目前主要的石膏生產技術、工藝及特點

目前市場中的石膏產制品除了原料的直接應用外,基本上都是半水石膏所延伸的產制品;半水石膏產品根據生產方法及性能主要分為兩個類別:α石膏產品系列及β石膏產品系列,石膏生產的技術也主要指這兩個產品系列的生產技術;

  4.1  煅燒技術及設備

β石膏生產技術的核心是煅燒技術及煅燒設備,目前石膏行業所用到的煅燒技術及設備主要有以下幾種:

  4.1.1煙氣直接煅燒

將高溫煙氣通入煅燒設備內,同時將物料喂入煅燒設備,通過設備內的特殊結構或氣流,讓物料與高溫煙氣直接接觸的過程中進行換熱,達到對物料煅燒形成半水石膏的目的;該類煅燒技術的特點:石膏原料需要一定的細度,能夠達到快速換熱脫水的效果或氣流流動的效果;換熱速度快,換熱效率高;物料煅燒時間短,屬于高溫快速煅燒;產品物相組成復雜且穩定性差,產品凝結時間短,產品質量波動大;產品不適宜用于對半水相比例要求高、產品質量要求高、凝結時間要求較長的產制品;生產過程對環保設備要求高;產品白度會因燃料受到影響;產品控制較好時,適合凝結時間快、高水比的制品生產;對高含水原料,入煅燒設備前需對原料進行烘干處理;

主要的設備類型有:內燒式回轉窯。內燒式回轉窯是一種臥式氣流煅燒設備,與水泥傳統的烘干機為一類形式。布置分為逆流和順流兩種形式,設備結構簡單,投資少,使用時注意喂料量與煙氣量及煙氣溫度、窯體轉速的匹配即可;對原料的細度、水分適應能力強;一步法即可完成,不需要預烘干系統;換熱效率的高低及產品質量的穩定性與窯體內部結構關系密切;逆流式產品質量穩定性略高于順流布置,且逆流能耗較低;產品質量波動較大,凝結時間偏短,產品性能偏低;但具體會因設備結構形式差異較大;

閃燒窯及內燒式回轉窯均是筒式回轉窯的不同內部結構的改型設備;其它氣流煅燒設備如斯德煅燒爐、錘式磨、彼得磨等均屬直接煅燒設備;

  4.1.2間接式煅燒

石膏原料進入煅燒設備后與熱介質(熱煙氣、蒸汽、導熱油等)不接觸,而是與熱介質的循環管道、設備外壁等進行間接接觸換熱;設備內部設有熱介質循環換熱管道或通道,循環管道與設備外壁組成的空腔內為物料填充或流動,物料在空腔運動的過程中與換熱管道進行熱交換完成煅燒過程;該煅燒技術及設備的特點:熱介質與石膏不接觸,燃料對產品的成分不產生影響;

石膏換熱過程緩和,脫水過程較為緩慢,屬于低溫慢燒;物相轉變緩慢,不易迅速過火;對原料細度、水分適應范圍寬;設備內為微負壓,環保設備處理要求低;產品質量穩定,一般產品凝結時間較長;該煅燒技術及設備類別較多,根據各設備具有部分不同的特點;

主要設備類型有:

1)沸騰爐。沸騰爐是一種應用較為普遍的傳統的煅燒設備,一般分為油熱式、風熱式及汽熱式三種;該設備為立式煅燒設備,設備內部布有大量換熱管道,管道內通入熱介質(導熱油、高溫煙氣、高壓蒸汽),設備底部設有布風板,風機鼓入一定量的風使石膏層處于流態,并通過石膏與熱管的換熱產生的蒸汽使石膏處于沸騰狀態,處于流態狀的石膏脫水后進入隔板的另一個區域后進入床層上部的溢流口出料;特點:結構簡單,主設備投資省;設備緊湊,占地少;對天然石膏必須采用先磨后燒的工藝,對副產石膏必須采用預烘干后煅燒的工藝,原料的細度、水分含量均有要求;較適合采用電除塵為除塵設備;產品凝結時間偏長,細度較粗,不適宜陶瓷模具等產品的生產,對含水率較高的脫硫石膏、磷石膏等,必須采用二步法進行煅燒;

2)分室煅燒。分室煅燒屬于一種間接換熱的氣流流態化煅燒設備,主要結構類似于沸騰爐,在設備內設有4個區,內設煙氣換熱管道(類似與沸騰爐的管道設置規格),下部設布風板,通過風機將物料處于流態進行換熱并通過設定的四個換熱區后出料;利用石膏煅燒脫水前后的重量差及熱風的匹配,不同區域配風的不同,不斷移動石膏至不同的區域直至達到半水石膏后出料;

3)管式回轉窯。在回轉窯內部根據要求設有不同的煙氣循環或換熱管道,熱煙氣在管道內通過或循環,回轉窯轉動時加入石膏,保證一定的物料填充率,熱管道隨窯體旋轉不斷逐個與物料進行接觸換熱,將石膏逐步預熱、煅燒,達到半水石膏的要求;由于煙氣與石膏不直接接觸,石膏的煅燒較為穩定,窯體內無氣流的影響,石膏無論顆粒大小,逐步從窯頭換熱運行至窯尾出料,根據其自身的脫水程度運行,煅燒得到的產品性能較高,質量穩定;設備環保效果好,不易產生粉塵;產品調節容易,可以根據需要調整產量及產品性能,調整石膏的煅燒溫度及時間,達到一種設備生產多類別產品,適應多個用戶的要求;對熱源為直接利用,減少能量轉換的損失;

4)多通道復合式石膏煅燒窯。該煅燒窯采用了多種形式的異形煙氣通道取代管式回轉窯內的管道,利用不同異形煙氣通道的特性在窯內部的不同位置根據換熱需要和物料特性進行設置,在同等窯型下大幅度增大窯內的換熱面積和換熱時間,提高換熱效率,提高設備產量,減低成本投入;是一種更適合節能及規模化要求的煅燒系統;

5)蒸汽煅燒窯。該煅燒窯利用高壓蒸汽作為石膏煅燒的熱源,在回轉窯內部設置有汽室、氣體分配器、汽軸、換熱管網、冷凝水排出系統、不凝氣系統、振打器等裝置,同時設有導料系統、進料系統、出料系統等;將高壓蒸汽通入氣室,通過氣體分配器進入換熱管網后與石膏進行熱交換,利用蒸汽變為水時釋放的大量的顯熱煅燒石膏;該設備由于利用蒸汽為熱源,自動化程度高、環保效果好,無廢氣,熱源穩定,煅燒系統易控制,產品質量穩定,適合電廠利用脫硫石膏及電廠蒸汽進行生產;屬于環保級別要求較高的區域生產高性能石膏產品的煅燒設備;

其它如間歇式回轉窯、外燒連續式回轉窯、炒鍋等均屬于間接式煅燒設備;臥式外燒設備對物料水分、細度無過多的要求,適應范圍寬;立式外燒設備對細度、水分含量有一定的要求;以上是目前市場用到的石膏產品的主要生產技術、設備類別,各設備均由其特有的一些特點,有的偏于節能、有的偏于產量、有的偏于投資等各有側重,有傳統的、改性的、專用的、新創的等等;均能夠實現最基本的煅燒或生產建筑石膏粉標準中合格產品的目標;

  4.2 β石膏粉的生產工藝

生產工藝是一條生產線投資的最直接決定因素,沒有工藝確定方案就不可能有實際意義的投資;而生產工藝除了主設備的因素外,又收到產品要求、生產規模、原料特點、環保要求、燃料類別等因素的影響;生產線主設備是生產工藝的核心。目前石膏粉的主要生產設備又因其特點不同而各有其最佳適用范圍;因此,確定一條生產線最合理的生產工藝,必須首先根據產品要求、生產規模、原料特點、環保要求、燃料類別等因素確定與之最匹配的主要設備,然后確定石膏粉的生產工藝;目前因原料因素、主設備因素等的影響,石膏粉的生產工藝五花八門,種類繁多,單就工藝形式而論,各有側重,均有其存在的原因;常見的工藝形式如先燒后磨、先磨后燒、烘干煅燒一體化的一步法、烘干煅燒分離的二步法、破碎煅燒包裝的簡易工藝、增加陳化均化和倉儲存的規范工藝等等;各有優缺點,也各有采用該工藝的內在原因,而且均勻其適應的最佳設備;

主設備類別影響工藝布置形式;對不同的煅燒設備,都必須有該設備對應的原料要求和操作要求,也就形成了最適應煅燒設備的工藝形式,如所有主要以氣流來帶動石膏換熱及移動的煅燒設備類型,基本上都要求原料必須具備一定的細度、含水率必須小于一定的值,才能保證煅燒設備能夠正常使用,因此該類設備用于天然石膏原料時,就必然也必須采用原料先粉磨后煅燒的工藝;如對于一些物料移動或換熱不依賴于氣流的煅燒設備,對原料適應性本身就很寬,對于破碎至粒狀的石膏還是粉磨至粉狀的石膏,都可以進行煅燒,具體采用先燒還是先磨,并不是設備決定,而是根據怎么有利于產品最佳性能或產品類別、用途來決定的;

原料影響工藝布置形式:目前的石膏生產原料,除了天然石膏外,還有著種類繁多的副產石膏,而副產石膏多有著較高的附著水,因此對工藝形式也有著直接的影響;原料的含水率是工藝形式的直接影響因素,一般,氣流類煅燒設備均要求入煅燒設備的原料水分小于3%,如超過該值,必須增加預烘干設備,變成二步法煅燒;間接換熱的管式或回轉類設備,一般要求入煅燒設備的原料水分低于20%,如超過該值,也必須采用二步法;而不是二步法就一定優于一步法;在工藝布置上,如不是因煅燒設備因素的影響,一步能完成的過程,沒有誰會把它分成二步來完成,何況從生產的角度,二步法一般都會帶來設備投資加大、熱損加大、操作步驟增多等問題;當然,具體到綜合考慮原料特點、生產規模、主設備、投資等系統因素,原料水分含量較低(小于15%)、生產規模較小(小于10萬噸)時,一步法應該更為有利一些,而水分含量較高、生產規模較大時,二步法應該更好;

產品質量因素的影響;任何生產線的工藝形式,最應該優先考慮的是能夠達到其設計的產品質量等級,如任何為其它因素(節省投資、節省煤耗等)考慮而降低質量等級的處置方式,都是自降效益和產品競爭力的方式;如具有較好純度和白度的石膏采用煙氣直接換熱的煅燒設備,會將煤灰等雜質嚴重影響產品質量及白度而降低價格;生產質量較高的陶瓷模具石膏粉或配置抹灰石膏等產品的煅燒線中,不設置陳化倉、采用煙氣直接換熱的煅燒設備、采用先磨后燒(對陶瓷模具粉)等均不是最佳選擇;

生產工藝的確定又是生產線投資的最大影響因素,不確定工藝形式,就沒有真正意義上的投資構成,而工藝的確定必須由產品類別、規模、原料、設備、燃料、環保、控制、生產要求等所有因素合成。因此,生產線的選擇首先是根據自己的原料、產品要求等特點選擇適合自己的工藝,工藝確定后,才有價格,工藝相近,才能簡單的對比投資;同時,投資又是對生產線構成影響最大的因素,任何一條生產線,都可以根據其主要功能設計為僅能保證生產產品的最簡單形式,也就是最省錢的形式,也可以首先考慮產品質量的保證及類別、考慮市場競爭能力等多種因素,當然,這種設計肯定不是投資最省的方式;

  4.3 高強石膏粉的生產技術及設備

α石膏由于其較高的早期及后期強度和較低的需水率,在陶瓷行業的部分高檔領域如原模石膏、塑壓模、牙模等方面得到了較好的應用,同時與高性能的煅燒石膏粉混合用于衛生潔具等的澆注模具是陶瓷行業的主要應用范圍;并在精密鑄造、工藝美術及自流平石膏、硫酸鈣地板、高性能板材等方面得到了應用;

α石膏的生產技術及設備主要分為如下幾類:

1)蒸壓法生產α石膏技術。該技術及設備主要形成于70年代,80年代后有較大幅度的推廣應用,目前,國內市場生產的α石膏主要都是采用該類方法;

蒸壓法生產α石膏一般分為一步法和二步法,一步法是將蒸壓過程和烘干過程在一個設備內完成,過程中不降溫、半水相不還原,很好的保證了α半水相的特性,產品質量較高,質量穩定;二步法則因為蒸壓完成后降壓、出釜后送至烘干設備,過程中因溫度下降,半水相會部分還原,導致烘干后的產品質量下降或不穩定;

蒸壓法生產α石膏的原料一般為塊狀,設備有臥式蒸壓釜和立式蒸壓釜兩種;臥式設備一般采用兩步法工藝,石膏一般是裝入小車后送入釜內蒸壓,出釜后送入煙氣烘干窯烘干;因臥式蒸壓釜易導致蒸壓不均勻及煙氣窯的直接烘干的不均勻性現象,導致生產的α石膏質量較低,凝結時間快,得不到能夠與礦石等級對等的最佳產品,不能最大程度的體現優質礦石的價值和效益;立式蒸壓釜一般采用一步法工藝,如不追求質量最佳時,也可采用二步法(可大幅度提高生產效率);尤其是采用蒸壓烘干一體化立式釜生產的α石膏,產品性能優良,質量較高且穩定均勻;

2)液相法生產α石膏技術。必須利用轉晶劑技術;將石膏粉磨至一定的細度,加水配置成濃度為20-30%的料漿,加入合適的轉晶劑;混合均勻后送入轉晶器,并加熱轉晶器內的料漿溫度至130—150度,壓力達到2—6公斤,使石膏在該條件下轉晶,完成轉晶反應后,料漿經過過濾、洗滌、烘干、粉磨等工序后成為較高性能指標的α石膏,同時也是超硬石膏的生產方法及工藝;大規模生產線設備投資高、成本高;生產工序較為復雜,生產控制自動化水平高;廢水處理難度大;產品質量穩定、易調整;

該方法分為高壓液相法和常壓液相法;常壓液相法—鈣基濕法生產α石膏的工藝及技術,2008—2010年浙江大學、武漢科技大學、寧夏石膏院共同完成歸家863項目,取得了較好的成果;其中對生產設備、工藝、轉晶方法及理論、產品改性做了詳細的工作;

3)造粒法。造粒法是將粉狀原料與轉晶劑溶液拌合成含水8-15%的濕粉狀生料,將該生料通過成型或造粒設備制成一定粒度的顆粒,將該顆粒狀物料放入蒸壓釜中通過一定的壓力和溫度進行蒸壓轉晶;得到的轉晶后的物料進行烘干粉磨的方法和工藝;該方法避免了二次產生廢水及處理工序中的洗滌、過濾等,對設備的要求相對降低,減少了設備投資及生產成本;該方法對轉晶設備的儲料形式有較高要求,造粒后粒度強度較低,與蒸汽后易散成泥,因此儲料器及填充率是其規模化生產的關鍵;

4)混合蒸壓法。該方法將粉狀物料與轉晶劑溶液混合均勻,以濕粉狀裝入特定的容器直接送入轉晶設備中進行轉晶;然后烘干、粉磨;該方法區別于造粒法的主要是物料轉晶前不需要成型或造粒,對轉晶設備的結構要求較高,生產工藝簡單,生產效率高;該方法因不需要對原料處理,同時以半干的物料形態進行轉晶,過程中不需要過多的不銹鋼設備、不產生含有轉晶劑的廢水、轉晶設備填充率高,單機規模大,適合規模化生產線,且設備投資較低,生產成本低;生產過程中因為控制晶體轉化的級配及晶型的級配,產品性能指標高于單一晶型的產品性能;是副產石膏生產α石膏及超硬石膏實現低投資、規模化生產的典型方法;

α石膏的生產工藝多是由于其蒸壓或轉晶設備的特殊要求而形成的,副產石膏的生產多采用轉晶劑技術配套的工藝,天然石膏多采用塊狀物料的蒸壓法,塊狀物料蒸壓法一般不采用轉晶劑技術即可達到較高的性能,而生產低水比、高硬度的高強度石膏,一般必須采用轉晶劑技術才可實現;

  5  項目及設備選擇的要點

建設一條石膏粉生產線,在眾多的技術方法、工藝類型、設備類別中如何做出選擇,選出自己滿意的、能夠達到自己建廠要求的、節省資金、具有一定先進性、一定時間不落后、能適應市場和產品的技術和設備,對投資人至關重要;一般在生產線建設期間,投資人對石膏行業、石膏產品、市場需求都有了一定的了解,但還遠未達到能完全正確的做出如上選擇的程度,因此,一般很容易陷入節省投資、能耗低等片面或夸大的宣傳等環節中;目前國內石膏技術及設備的提供者眾多,規范的、不規范的、個人的、單位的、賣主設備的、賣附屬設備的等等,為了得到項目,不惜提供各類虛假的資料或將投資人引入歧途;如何選擇,這里給大家提供一些技術及設備選擇中的要點,供大家參考:

1)首先確定生產線的主功能,即生產線的主產品是什么?是否需要擴展產品或生產線功能;任何生產線都首先是根據主產品進行產量、主設備選擇、能耗、配置等計算的,主產品不同,其主設備、后續配置、投資、原料要求等均會產生很大的改變;如建筑石膏粉為主產品時,主設備就只需要滿足基本功能即可,原料要求會降低、粉磨要求會降低等等;

2)根據原料確定。原料不同,其工藝、設備、能耗等等也完全不同;如脫硫石膏、磷石膏、天然石膏所采用的設備、工藝就產生很大的區別;副產石膏不同的水分含量對產量、設備也會產生較大的影響;對采用的原材料,必須有一個準確詳細的了解;如采用優質的白度較高的天然石膏,就不能為節省投資選內燒式設備,最終節省的投資會把原料及產品的最大優勢全給抹去;

3)生產時間。有的設備是按照日產量計算的年產量,即一年是按照360天計算的;有的是按照300天計算的;對建同等規模的生產線,其主設備的配置完全不同;規范的生產線會增大部分設備的能力,如破碎、包裝,減少該部分用人的數量以減少運行成本,但為了以投資降低吸引投資人,其配置可以設置為破碎、包裝等系統24小時工作;等等;

4)產品的用途。同樣是建筑石膏粉,主要目的是為了生產砌塊還是配置石膏砂漿;砌塊多為手工控制生產,所用的石膏粉要求低,允許產品質量波動,要求凝結時間快,產品細度低;可以采用能夠節省投資的部分簡單煅燒設備如筒狀內燒回轉窯、氣流煅燒等設備系統;但必須對所用的氣流煅燒設備有及整體工藝有一個詳細的了解,不要進行片面的對比,是采用一步法還是二步法,是但熱源還是雙熱源等等;對砂漿為部分產品的生產線,就必須保證能夠煅燒出高性能的石膏粉,就需要選擇能保證產品質量穩定,又可以具有一定調節功能的間接換熱設備;

除此之外,還需確定生產線建設區域的模具及近期的環保要求級別、周邊的燃料價格及趨勢、周邊市場的要求及容量及發展等等;

只有確定了以上基本的項目要求,才能根據這些基本條件去選擇主設備,主設備的選擇,一般從如下幾個方面進行考慮:

1)設備的適應性。即該設備對原料的適應性、與產品的適應性、與生產要求的適應性、與環境的適應性等,保證所確定的產品生產,這是最重要的指標;如該指標出現錯誤,所選的設備就不是省錢,而可能是整個花錢的開始,例如:原料白度高的原料,選擇了燃煤型的直接煅燒類設備;生產陶瓷模具的、選擇了氣流快速煅燒設備;副產石膏為原料的,選擇了沸騰爐煅燒或一次烘干后再用沸騰爐煅燒;要求產品適應多類用戶群的,選擇導熱油沸騰爐等等;禁止二氧化硫排放的,采用的設備只能適應煤作為燃料;環保要求很高的區域,沒有考慮環保設計的對接等等;

2)設備的成熟性與可靠性。對生產所用到的設備,首先確定必須是成熟可靠的;生產企業得到的設備,目的是為了生產而不是研發,穩定和效率是最重要的;研發的,需要一開始雙方都愿意承擔后續風險和試產的長期性;

3)設備的能耗。能耗對產品的生產成本具有較大的長期的影響,但同一設備,生產不同的產品、生產組織管理能力、產量等均有一定的影響;

4)設備的可調整性。指設備對不同生產參數的適應性和調整型或調整的難度;除紙面石膏板外,很難有一家石膏粉企業僅生產銷售一種性能或用途的產品,就要求主設備有一定的可調整性;

5)設備及所采用技術的先進性。目前由于設備類別較多,石膏產品類別也較多,因此,任何設備的先進都是相對的,沒有絕對先進的設備;只能按照自己的產品、原料、生產要求、環保、能耗等進行局部或綜合比較;即生產產品最好的設備可能不是能耗最低的、能耗最低的生產的產品恰恰不是效益最好的;因此需要綜合比較而不是片面對比;任何設備都可以找出一兩個優點;

6)投資。投資上是投資人考慮的最重要的一個問題,但在生產線建設時,恰恰是最需要把握的一個問題;投資是否合適,有很多因素決定;產品應該是其中最重要的,正規的設計,需要考慮產品配置、設備運行成本、生產控制、生產以外因素、環保等等,投資自然會上升;如項目方要求可生產多種產品,設計方就會增加附屬設備、倉、磨等去實現,并考慮原料、熟料、成品儲存等因素;但非規范設計可以簡化,如不設原料儲存、熟料直接粉磨,磨后設一兩個大成品倉;簡化了大量倉及設備,但生產的不穩定性就會大幅度增加,產品的不穩定性凸現,產品的調整能力不能實現;最終減少了產品可實現的類別,降低了產品質量及用途范圍,增加了鏟車工作量及人員數量,這樣的投資節省是否值得;為了節省投資,不買規范的設備,去盡可能仿制,不選擇具有材性及技術配套能力的單位,直接選擇設備商提供的;節省了少量的費用或技術費用,是生產線半年、一年甚至更長時間不能達標,部分產品不能生產、生產的產品質量低下、遇到技術問題自己摸索產生大量廢品,這產生的代價與技術費用上的少量投入值得好好計算,不重視技術的企業是沒有希望的企業,是沒有發展的企業;投入是否合適是否值得,是需要用投入產出比去進行綜合計算的,不是簡單的對比。

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龍源石膏創立于1992年,是一家集石膏開采、硫酸鈣粉體研發、生產、銷售、出口為一體的大型石膏產業化龍頭企業,已形成年產石膏原礦兩百多萬噸、石膏粉和超細硫酸鈣粉體百萬噸的生產加工能力,具備百萬平米石膏砌塊和石膏模盒生產能力,產品廣泛應用于建材、模具、食品、醫藥、橡膠、塑料、涂料等行業。

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